焦耳定律 初步概念：电流的热效应 当电流通过一个导体时，我们会观察到导体发热的现象，例如电炉丝发红、电热水壶烧水。这个现象表明，电能被转化成了内能（热能）。这种能量转换过程被称为“电流的热效应”。其核心是导体内部的自由电子在电场作用下加速运动，获得动能，随后在与构成导体晶格的原子（或离子）碰撞时，将动能传递给原子，加剧原子的热运动，宏观上就表现为温度升高、放出热量。 核心规律：焦耳定律的定量描述 英国物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳通过大量实验，精确地确立了电流产生热量的定量规律，即 焦耳定律 。其内容为：电流通过导体时产生的热量（称为焦耳热） Q ，与电流的平方 I² 、导体的电阻 R 以及通电时间 t 三者都成正比。 用公式精确表示为： Q = I² R t 。 这里，热量 Q 的单位是焦耳（J），电流 I 的单位是安培（A），电阻 R 的单位是欧姆（Ω），时间 t 的单位是秒（s）。这个公式是计算纯电阻电路中电能转化为内能的最基本、最直接的表达式。 与电功的关系：在纯电阻电路中的统一 从电路的能量角度看，电流通过一段电路所做的电功为 W = U I t ，其中 U 是该段电路两端的电压。如果这段电路是纯电阻（如电阻丝、电灯灯丝，电能完全转化为内能，不转化为机械能或化学能等），那么根据部分电路欧姆定律 U = I R ，将其代入电功公式： W = U I t = (I R) I t = I² R t 。 这表明，在纯电阻电路中，电流所做的电功 W 完全等于产生的焦耳热 Q ，即 Q = W = I² R t = U I t = (U² / R) t 。后两个等号成立的前提是必须严格遵守欧姆定律（纯电阻）。 深入理解：微观机理与功率 微观解释 ：焦耳热的产生源于“电子-晶格”碰撞。导体内存在电场时，自由电子在两次碰撞之间被电场加速，获得定向运动的动能。在碰撞瞬间，这部分定向动能几乎全部传递给晶格，转化为晶格热振动的能量，宏观上就是内能增加。电阻 R 的大小反映了这种能量转换的剧烈程度。 热功率 ：单位时间内产生的热量称为热功率，用 P 表示。由焦耳公式可得： P = Q / t = I² R 。这就是电流通过电阻时的发热功率公式。它清晰地表明，发热功率与电流的平方成正比，这是许多电气安全问题的核心（例如，短路时电流激增，发热功率会呈平方倍剧增，导致火灾风险）。 应用、区分与扩展 典型应用 ：所有利用电流热效应工作的设备，如电暖气、电烙铁、电热水器、白炽灯等，其核心设计都基于焦耳定律。 重要区分 ：必须注意，公式 Q = I² R t 是普适的，对所有包含电阻的电路元件（包括电动机的线圈、变压器的绕组等）计算其产生的焦耳热都成立。而 Q = W = U I t 仅当电路为纯电阻时才成立。例如，对于电动机，电流做的功（ U I t ）大部分转化为机械能，只有小部分（ I² R t ，R为线圈电阻）转化为线圈发热。此时， U I t > I² R t 。 与热力学第一定律的联系 ：在电热系统中，焦耳热是系统内能增加的一种具体方式。如果将导体及其内容物（如水）视为一个热力学系统，那么电流做功（电功）是外界对系统做功的一种形式，这部分功完全转化为系统的内能增量（在不考虑对外散热和体积变化时），即 ΔU = W_ 电 = Q_ 焦耳 ，这是热力学第一定律在特定条件下的具体体现。